虚拟导管实验室：一款多功能开源模拟器，用于先天性心脏介入手术的教育和手术计划制定

《Journal of the Society for Cardiovascular Angiography & Interventions》：Virtual Cath Lab: Versatile Open-Source Simulator for Education and Procedural Planning in Congenital Heart Interventions

　　预外周动脉导管介入术的精准三维解剖结构认知对介入效果至关重要，但传统二维荧光影像存在辐射风险和学习曲线陡峭问题。本研究开发SlicerHeart平台的虚拟导管实验室（VCL）模拟器，通过三维CT影像生成双平面荧光投影，验证其与实际造影图像的测量一致性（总长度误差15%，最小直径误差33%），并成功应用于复杂AP动脉瘤封堵和Potts动脉导管的术前规划，支持实时三维注册与虚拟设备植入。该工具可降低辐射暴露，优化介入角度选择，并作为教育训练平台提升术者能力，未来需评估其对临床疗效和辐射剂量影响。

　　这项研究介绍了一种名为“虚拟导管室”（Virtual Cath Lab, VCL）的创新工具，它能够基于三维（3D）计算机断层扫描（CT）图像生成荧光透视（fluoroscopic）投影图像，为先天性心脏病的介入治疗提供预手术规划和培训支持。这项技术的核心在于利用先进的影像处理平台，将复杂的血管结构以三维形式建模，并模拟出与实际导管室中相似的荧光透视效果。通过这种方式，医生可以在手术前对患者的解剖结构进行深入分析，优化手术视角，提高手术成功率，同时减少对患者和医疗人员的辐射暴露风险。

在介入治疗中，尤其是针对儿童和先天性心脏病患者，精确的三维解剖信息对于手术的成功至关重要。传统的荧光透视图像虽然能提供实时的手术视角，但其二维特性使得医生在理解复杂解剖结构时面临挑战。此外，为了获得更清晰的图像，通常需要多次调整角度和拍摄，这不仅增加了患者的辐射暴露，还可能影响手术效率。因此，研究者们致力于开发一种能够在手术前进行三维影像模拟的工具，以帮助医生更好地规划手术，并为培训提供更安全、高效的环境。

VCL 的开发基于开源平台 3D Slicer，该平台提供了强大的医学影像处理能力。通过将 CT 图像导入 3D Slicer，并结合真实设备模型，研究团队构建了一个虚拟的导管室环境。在这个环境中，医生可以模拟 C 臂（用于荧光透视的 X 射线机）的运动，并实时生成二维的荧光透视图像。这种模拟不仅能够反映实际手术中可能遇到的影像情况，还允许医生在手术前对不同视角和设备位置进行预演，从而优化手术方案。

为了生成逼真的荧光透视图像，VCL 还结合了 CT 图像的分割技术。研究人员使用 3D Slicer 中的分割模块，对患者的血管结构进行手动或自动分割，从而创建虚拟的造影剂填充模型。这些模型随后被用于生成模拟的荧光透视图像，其结果与实际手术中的造影图像进行对比，显示出较高的相似度。例如，在研究中，模拟的造影图像与实际图像在关键解剖结构的测量值上差异较小，总体误差在 1.3 mm 左右，接近于临床中不同阅片者之间的自然差异。这表明 VCL 在提供准确影像模拟方面具有良好的潜力。

此外，VCL 还支持四维（4D）CT 数据的处理，这使得医生可以在手术前模拟心脏在不同心动周期阶段的影像变化。通过这种方式，医生可以更好地理解心脏在动态状态下的结构关系，从而更精确地规划手术步骤。例如，在某些复杂病例中，医生需要根据心脏的运动状态调整设备的位置和角度，而 VCL 提供了这种动态模拟的能力，有助于提高手术的精确性和安全性。

在临床应用方面，VCL 被用于多个具体案例的模拟和预手术规划。例如，研究团队对 17 名患者的数据进行了建模，包括 10 例动脉导管未闭（PDA）支架植入术、4 例经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）、1 例法洛四联症合并大动脉肺动脉侧支循环（MAPCA）的病例，以及 1 例动脉肺动脉瘘（AP fistula）和 1 例逆式波士顿分流术（reverse Potts shunt）的病例。这些模拟不仅帮助医生在手术前更好地理解患者的解剖结构，还为手术中的决策提供了依据。

在教学方面，VCL 为培训人员提供了一个安全的练习环境。通过模拟真实的导管室操作，学员可以在没有实际患者的情况下练习设备的放置、角度的调整以及手术流程的优化。这种训练方式不仅减少了对患者的潜在风险，还提高了培训效率，使学员能够更快地掌握复杂的影像解读技能。特别是在处理复杂解剖结构时，这种预手术模拟能够帮助学员更直观地理解三维结构与二维影像之间的关系，从而提高他们的临床判断能力。

在实际操作中，VCL 的灵活性和可扩展性是其重要优势之一。医生可以根据需要调整 C 臂的角度、位置以及设备的大小和方向，从而生成符合实际手术需求的影像。此外，该工具还支持与虚拟现实（VR）技术的结合，进一步增强了手术规划的沉浸感和互动性。例如，通过 SlicerVR，医生可以在虚拟环境中进行更精细的设备放置和视角调整，这为复杂手术的预演提供了更直观的工具。

尽管 VCL 在多个方面展现出显著的优势，但研究团队也指出了其潜在的局限性。首先，该工具依赖于术前的 CT 血管造影（CTA）数据，这意味着对于没有进行 CTA 的患者，VCL 的应用受到一定限制。然而，在处理复杂病例时，CTA 通常是术前评估的重要手段，因此 VCL 在这些情况下具有更高的实用价值。其次，虽然 VCL 提供了丰富的功能，但其操作界面对于初学者来说可能有一定的学习曲线。为此，研究团队提供了详细的教程，并确保该工具的开源特性，以便用户可以根据自己的需求进行优化和扩展。

最后，研究团队强调，尽管 VCL 在模拟和预手术规划方面表现良好，但还需要进一步的临床验证，以评估其对实际手术效果和患者预后的影响。他们希望未来能够将 VCL 与更多医学影像技术结合，例如心脏磁共振成像（MRI），以提供更全面的术前评估。同时，他们也计划探索 VCL 在减少辐射暴露和优化手术流程方面的具体应用效果，从而推动其在临床中的广泛应用。

总体而言，VCL 的开发为先天性心脏病的介入治疗提供了一种新的工具，它不仅有助于提高手术的精确性和安全性，还为医学教育和培训提供了更有效的支持。随着技术的不断进步和临床验证的深入，这种虚拟导管室模拟系统有望在未来成为心血管介入手术的重要辅助手段，为患者和医疗人员带来更大的益处。